摘 要

摘　要：要提高中國天然氣管道建設運營效益，實現管道壓縮機組和大口徑閥門等關鍵設備的國產化是基礎。為此，中國石油天然氣股份有限公司聯合國內相關企業，建立了國產化技術研發體

摘　要：要提高中國天然氣管道建設運營效益，實現管道壓縮機組和大口徑閥門等關鍵設備的國產化是基礎。為此，中國石油天然氣股份有限公司聯合國內相關企業，建立了國產化技術研發體系和新產品分級試驗體系，并成功開發了20MW級電驅壓縮機組、30MW級燃驅壓縮機組和高壓大口徑全焊接球閥：①電驅機組研制圍繞三大主體單元組織實施，研發的25MVA單元串聯多電平結構變頻調速裝置在國際同類產品中容量最大，研發的4800r／min超高速防爆電機功率達22MW，研發的PCL800型離心壓縮機工作點效率高、流量調節范圍寬；②燃驅機組研制分兩步走，圍繞進口GT25000燃氣輪機開發輔助配套系統和電控系統，配套國產壓縮機形成產品一，同時開展燃氣輪機自主研發，替換進口燃氣輪機，形成產品二；③圍繞焊接和密封兩項技術難點開展攻關，開發的40英寸Class600、48英寸Class600和48英寸Class900三種規格兩站安裝方式的高壓大口徑全焊接球閥已全面替代進口產品。結論認為，壓縮機組和閥門的成功國產化帶動了裝備制造行業、天然氣行業產業鏈的良性發展，對于推動企業自主創新、提升企業核心競爭力、促進產業轉型升級等方面都具有重大意義和作用。

關鍵詞：天然氣管道  裝備  國產化  變頻調速裝置  電動機  燃氣輪機  壓縮機組  球閥  中國石油天然氣股份有限公司

The core pipeline equipment localization process and application prospects in China

Abstract：To improve the economic efficiency of natural gas pipelines，we must realize the localization of core equipments such as a compressor set and a large diameter welded ball valve．For this purpose，PetroChina in alliance with other related enterprises established an equipment-localization R&D system and a new product testing system and successfully developed a 20-MW class motordriven compressor unit．a 30-MW class gas turbine driven compressor unit，and a high pressure and large-diameter welded ball valve．First，the motor-driven compressor R&D focused on three main units．The developed frequency control device structure is the cascaded multilevel with a capacity of 25 MVA．The developed anti-explosion dynamo with a motor speed of 4800 rpm can produce the power of 22MW．The developed compressor is PCL800 with features of a high efficiency and a wide flow operating point adj ustment range．Second,there were two steps of the R&D of a GT-driven compressor unit(product A+product B)：we focused on the imported GT25000 gas turbine and integrated its especially auxiliary supporting systems and control systems with China made compressors to develop the product A：simultaneously,we also carried out the R&D of the product B of a gas turbine which would replace the imported one．Third，aiming to solve the problems of sealing and welding，we developed the high pressure and large-diameter all welded hall valves in full replace of the same kind of imported products with three different sizes：NPS40 Class600，NPS48 Class600，and NPS48 Class900．

Keywords：natural gas pipeline，equipment，nationalization production，frequency control devices，motor，gas turbine，centrifugal compressor，large-diameter ball valve，PetroChina

據統計，全球陸上天然氣有99％都依靠管道輸送。在我國，天然氣管道建設始于20世紀70年代，但發展緩慢；從2000年開始，以西氣東輸工程一線為標志的天然氣管道建設進入大發展時期，累計投產管道里程超過16000km；“十二五”期間，我國天然氣管道建設又迎來了一個新的高潮，先后建成或建沒了以西氣東輸二線、西氣東輸三線、中緬天然氣管道為標志的大型骨干天然氣管道，預計新投產的管道里程將超過21000km(不含城市管網)，超過了之前年份的總和。這些管道在國內將塔里木、柴達木、長慶、川渝等4大主要氣源地聯通成網，在周邊將西北中亞、東北俄羅斯、東南緬甸以及沿海進口LNG接收站等連接成網，并以地下儲氣庫作為調峰儲氣支持手段^[1]，形成了我國天然氣管道新格局(表1)。縱觀現代天然氣管道技術的特點，輸送壓力等級高——以10MPa和12MPa為主，應用鋼材等級高——X70鋼和X80鋼被廣泛使用^[2-3]，輸送流量大——干線管道天然氣輸送量在100×10⁸m³／a以上。如采用上述技術，就要求干線管道每隔150～170km需設置一座由2～4臺壓縮機組組成的壓氣站^[4-5]，以保持管道高壓大流量輸送；每隔30km設置一座閥室，以便在緊急時刻和管道維修時截斷使用。隨著天然氣這種清潔能源逐漸在我國工業和民用方面被廣泛推廣和普及，中國石油天然氣股份有限公司(以下簡稱中國石油)按照國家能源戰略規劃，還將建設西氣東輸三線、四線、五線以及多座配套地下儲氣庫，這些重大工程對高速燃氣輪機驅動離心壓縮機組、高速直聯變頻調速驅動離心壓縮機組、天然氣發動機驅動往復式壓縮機組、電機驅動往復式壓縮機組以及高壓大口徑全焊接球閥需求量巨大^[6]。而目前這些設備的核心技術、產品定價權以及后續技術服務均被少數發達國家所掌握，開展相關設備國產化研制和推廣應用，無論是對天然氣管道建設運營企業，還是對裝備制造企業，都具有顯著的緊迫性。

 

1　天然氣管道裝備國產化在新形勢下的意義

1．1　符合國家關于管道設備國產化的政策要求

近年來，國家為推動裝備制造業發展出臺了一系列規劃綱要和措施性文件，如《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》(2006年)、《關于落實國務院加快振興裝備制造業的若干意見有關進口稅收政策的通知》(2007年)等，并且在天然氣管道建設項目批復文件中明確提出逐步實現管道鋼管、增壓機組、大口徑閥門等國產化的要求。

1．2　保障國家能源安全

我國已經初步建成東北、西北、西南和沿海能源進口戰略通道，天然氣管道輸送核心設備全部依賴進口，在正常的貿易往來中，我們可以比較容易地獲取保障管道平穩運行的技術裝備、售后服務、備品備件等；而一旦出現非常情況，壓縮機組的故障輕則導致管道輸量降低，重則導致管道停輸、氣田停產，而線路閥室故障甚至會直接造成停輸停產。因此，推進天然氣管道裝備國產化還具有保障國家能源安全的戰略意義。

1．3　有效提高天然氣管道行業效益

輸氣管道的運行可靠性和經濟性很大程度上取決于其所采用的壓縮機組的性能。壓氣站的投資占輸氣管道總投資的20％～25％，運行費用占管道總運行費用的40％～50％，而其中壓縮機組的投資占壓氣站總投資的一半以上，壓縮機組的能耗占壓氣站運行費用的70％左右。因此，在輸氣管道設計中選擇技術上先進、經濟上合理、服務保障上性價比高的設備和供貨商對于降低天然氣管道工程建設投資、提高運營效益具有顯著的現實意義。

1．4　能夠推動裝備制造業發展

天然氣管道用壓縮機組主要以30MW級燃氣輪機驅動壓縮機組和20MW級變頻調速電動機驅動離心壓縮機組為主，干線管道閥門以口徑為40／48英寸(1英寸＝2.54cm，下同)、壓力等級為Class600／900為主。目前在我國，這類機電儀控以及材料等各個專業高度集成的裝備大都依賴于進口，開展國產化研發制造，對于推動我國裝備制造業發展、建設創新性社會具有重大意義。

2　天然氣管道裝備國產化的突破口和所取得的成績

2．1　選擇“三大件”作為突破口

早在西氣東輸一線增輸工程上，中國石油就提出國外投標商必須與國內壓縮機廠商開展合作，確保至少有一臺壓縮機由國內制造，最終實現了定遠站一臺壓縮機由沈陽鼓風機集團公司制造的目標。以此為契機，中國石油認真落實國家能源局有關天然氣管道裝備國產化要求，聯合國內裝備制造企業，積極推動20MW級變頻調速同步電機驅動離心壓縮機組、30MW級燃氣輪機驅動離心壓縮機組和40／48英寸Class600／900全焊接球閥國產化進程。到目前為止，已經實現管道高壓大口徑全焊接球閥全部替代進口產品(圖1、表2)、20Mw級電驅壓縮機組投產并平穩運行萬余小時(圖2、表3)、30 Mw級燃驅壓縮機組完成產品試制等待現場應用的良好局面(圖3、表4) ^[7]。

 

 

 

 

 

 

2．2　技術路線與研發思路

通過對國內相關裝備制造企業進行廣泛調研、技術交流以及現場考察，確立了三大項核心裝備國產化研發方案和關鍵技術指標。

1)20MW級電驅壓縮機組：突破國內通行的低轉速電機配增速齒輪箱建議，采用高速直聯驅動方案，確定電機轉速為4800r／min，功率等級為l8～22MW；變頻裝置為電壓源型，多電平單元串聯結構，容量為25MVA；壓縮機為PCL800系列，開展型譜化研制。

2)30MW級電驅壓縮機組：研發工作分為兩個階段，形成兩個產品，其中產品一為進口燃氣輪機+國產壓縮機+國產輔助配套系統；產品二為國產高速燃氣輪機+國產壓縮機+國產輔助配套系統。

3)高壓大口徑全焊接球閥：確定開展40英寸Class600、48英寸Class600、48英寸Class900全焊接球閥新產品試制。

為確保國產化研制成功并能廣泛推廣應用，中國石油西氣東輸管道公司(以下簡稱西氣東輸公司)與參研企業簽訂研制合同，確立了國產化研發技術體系和測試試驗體系。

按照確定的研發目標和關鍵技術指標，西氣東輸公司組織制定了《20MW級高速直聯變頻電驅壓縮機組國產化試制技術條件》《30MW級燃氣輪機驅動離心壓縮機組國產化試制技術條件》和《高壓大口徑全焊接球閥國產化試制技術條件》，形成了國產化試制技術體系，作為新產品研制的技術規范和驗收重要標準。

為解決將缺乏驗證和成熟度的研制產品直接應用于大型天然氣管道輸氣系統帶來的輸氣運行風險問題，創新性形成了電驅機組、燃驅機組和高壓大口徑全焊接球閥研制應用分級試驗體系：即主體單元工廠測試、整機工廠72h聯機帶負荷試驗以及投產后4000h工業性應用試驗，以全面檢驗評估分系統和成套設備的安全性、可用性和可靠性。三階段試驗順次支撐、逐項控制、持續改進，確保了國產化裝置的研制成功、成套完善、整體先進和快速成功推廣。

2．3　所取得的成績

2．3．1 20MW級電驅壓縮機組

所研制的25MVA變頻裝置，為國際同類產品中容量最大的。國內首次研制成功IEGT、IGBT兩種方案的H橋級聯式大功率變頻系統；開發了功率單元水冷散熱系統水路快速插拔與自動閉鎖技術^[8]；首創采用基于擴展卡爾曼濾波算法(EKF)的無刷勵磁同步機無速度傳感器矢量控制技術；采用基于人工神經網絡理論的電機效率自動識別優化磁通技術。

研制了20MW級國內最大容量防爆同步電機；新型勵磁機實現電機無滑環變頻啟動及運行，滿足防爆要求；轉子、勵磁機、旋轉整流盤結構設計滿足5040r／rain超高速運行要求；特殊結構全阻尼設計有效削弱氣隙諧波，確保轉子表面無過熱點；電機及勵磁機三軸承軸系設計保證電機在轉速3120～5040r／min之間平穩運行，軸振參數值優于API標準。

研制了PCL800系列管線離心壓縮機，工作點效率達87.5％，流量調節范圍介于43％～150％；形成了專用模型級型譜；開發了高穩定性轉子結構，壓縮機軸振低于15mm，優于API標準。

全新開發了機組控制系統、干氣密封系統、UMD保安系統等，成功研發了成套完善、系統可用的電驅壓縮機組。

2．3．2 30MW級燃驅壓縮機組

1)產品一：研發突破了燃驅機組機帶燃料氣系統設計技術，針對一臺引進的具有低排放特性的燃機，自主研制成功與其相匹配的機帶燃料氣系統，并能通過“假啟動”聯調方式對燃料氣系統進行功能驗證，開發機組控制系統和輔助配套系統。

2)產品二：研制了國產30MW級燃氣輪機，解決了高速燃氣輪機設計、制造、測試等核心技術，目前已經通過工廠第一階段測試，為燃驅機組全國產化打下了堅實的基礎。

2．3．3  高壓大口徑全焊接球閥

創新了基于管線球閥實際載荷分析計算的整體結構設計技術^[9]、防擦傷閥座密封結構設計技術^[10-11]、滿足閥門主焊縫要求的低殘余應力、低溫特殊自動焊焊接技術，將斷裂力學理論首次成功應用于閥體主焊縫不進行熱處理的安全性評估，研制了適應于地面和埋地安裝的3種規格2種驅動形式的5種高壓大口徑全焊接球閥新產品，相關技術指標均達到國際同類產品的水平。

2．4　運行狀況

目前國產高壓大口徑全焊接球閥已經全面替代進口產品，國產20MW級電驅壓縮機組也在西氣東輸二線東段投產應用5臺套，機組累計運行時間超過18000h，運行狀態良好，系統穩定、可靠，各項技術指標均達到技術條件的要求。

3　與進口產品和服務對比分析

天然氣管道關鍵設備國產化研制的定位和起點都比較高，產品技術參數和性能的確定上都充分考慮了后續產品能夠與國外廠商同臺競標。因此，在設備技術參數、技術服務便捷性和備品備件保障方面都具有較大的優勢。

對比管道同類壓縮機組各項參數，變頻裝置具有功率單元旁路功能，保障系統可靠性，多電平電壓源型結構，不需安裝諧波濾波器，對電纜無特殊要求；電機功率因數在0.96以上，優于同類產品；壓縮機在效率、流量調節范圍和軸振參數方面，均優于同類產品；國產球閥在焊接技術、試驗檢測技術等方面優于同類產品。綜合機組和閥門的設計、試驗以及運行情況看，“總體性能達到國際先進，部分指標國際領先”。

在技術服務便捷性上，國產化后，相同的語言、文化背景使得用戶和廠商溝通交流更加順暢，對于快速提高用戶設備運行維護水平、廠商協助解決設備保障都具有重要作用。

在備品備件供應保障上，一方面，省去了繁瑣的國際采購程序和部分進口設備國內采購代理環節，可以有效減少資金占用和采購成本；另一方面，以國產設備供貨商為依托，減少備品備件的庫存量，可以提高天然氣管道的運營效益。

與此同時，也要注意到，國內廠商在與國外廠商競爭中也存在一定的差距，主要表現在設備技術資料標準化、用戶培訓系統化和售后服務規范化等方面。設備技術資料不完整、不齊全，廠商對設備運行操作和維護保養的經驗和要求還未完全實現文字化、標準化，存在不同的工程師有不同建議和解釋的現象，給用戶帶來一定的困擾。多數廠商還未建立系統的用戶培訓體系，沒有統一的培訓師資隊伍和教材，造成培訓內容缺乏專業性、培訓質量參差不齊。多數廠商還未形成完善的售后服務管理機制和團隊，在建立規范的故障診斷排除、設備升級服務、新技術推介等全方位用戶服務保障方面還有提升空間。

4　天然氣管道裝備國產化展望

電驅壓縮機組、燃驅壓縮機組和高壓大口徑全焊接球閥國產化是繼天然氣管道X70、X80鋼管國產化后的又一巨大成就，既關乎國家能源安全、民族工業進步，又關乎企業協調發展、居民用氣成本。

在西氣東輸二線及支干線應用7臺套20MW級電驅壓縮機組^[12]、2臺套30MW級燃驅壓縮機和30臺套高壓大口徑全焊接球閥的基礎上，已確定在西氣東輸三線西段推廣應用12臺套電驅壓縮機組、3臺套30 MW級燃驅壓縮機組和50％高壓大口徑全焊接球閥，東段壓縮機組(規劃設計40余臺套)和高壓大口徑全焊接球閥全部國產，后續規劃建設的西氣東輸四線、五線以及其他天然氣管道工程也全部國產化。

在推廣應用現有國產化科技成果的基礎上，中國石油于2013年又啟動了新一輪天然氣管道關鍵設備國產化項目，涉及天然氣調壓裝置、閥門執行機構、流量計、軸流閥、旋塞閥等。這些國產化設備將應用于西氣東輸三線、四線、五線等天然氣長輸管道。

與發達國家相比，我國的天然氣管道建設還處于起步階段，以“政產學研用”模式為平臺，不斷深入開展天然氣長輸管道相關設備國產化研制和推廣應用，必將帶動裝備制造行業、天然氣行業的良性發展，在推動企業自主創新、提升核心競爭力、促進產業轉型升級等方面都具有重要作用和重大意義。

 

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本文作者：黃澤俊  高順華  王世君

作者單位：中國石油北京油氣調控中心

  中國石油西氣東輸管道公司